5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Бионика Жерарден Л

На такие же выводы нас наталкивает пример из

другой области, из царства запахов *. Тут па,'IЫ\lа пер­ венства, безусловно, принадлежит бабочке тутового шелкопряда (ВоmЬух mori) , того ca~IOГo, чья гусеница

известна под названиеы шелковичного червя. ДШI

продолжения рода саыцу шелкопряда необходимо

отыскать самку. Жизнь бабочек та]( коротка, что спо­

собы отыскивать пару должны быть весьма эффек­ тивны. Казалось бы, для этого вполне подходит запах:

самка выделяет спеЦИфJlческое вещество, МО.1еку­ лы которого легко и быстро распространяются в воз­

духе; самцы улавливают этот запах и стремятся к его

источнику. Но тут есть одна немаловажная деталь:

плотность молекул пахучего вещества с расстоянием

быстро убывает до ничтожной величины. Поэтому самцы должны обладать исключительной восприимчи­ востью к запаху. Высокую чувствительность самцов шелкопряда к запаху установил еще в XIX BeK~ фран­ цузский натуралист Анри Фабр. Меченные цветными

·красками самцы шеJ1копряда с расстояния до десяти

километров в очень короткое время прилетали к сад­

ку, в котором была спрятана самка. Надо полагать,

что шелкопряд улавливает в воздухе отдельные моле­

кулы выделяемого саМhОЙ специфического органиче­

ского вещества (оно отличается невероятно сложной

формулой и неимоверно трудным названием). У шел­

копряда нет носа, органом обоняния ему служат пу­ шистые усики, антенны, расположенные по бокам го­ ловы. Если их срезать, бабочка перестанет различать

запахи.

Поразительна вкусовая чувствительность некото­ рых животных. Лосось, поднимаясь из моря вверх по

реке, находит свой родной ручей по вкусу воды **. Соб­

ственно говоря, изучение органов вкуса и обоняния

еще только начинается. А"сколько интересных возмож­

ностей открыло бы изобретение хорошего локатора за­

пахов! Для бионики это целый новый мир, но его рас­

цвет - в будущем. Сначала надо понять и объяснить,

* ИJlтересующимся r.tожно рекоиендовать КlIIJГУ Р. Х. Райта

QHaYKa о запахах», изд-во «Мир», М., 1966.

*~ Существуют 9кспеРЮlентальные данные, показывающие,

что .~ococь ориентируется по запаху, а не ПО вкусу воды.

НJO

как работают естествеНlIые рецепторы (детекторы), ВОСПРИНЮlающие запах. Существует :\!Ного теорий, но

ни одну из них нельзя считать удовлетворите,lЬНОЙ.

БНОНIIка ДО.'1жна сыграть pO.1I, катаЛ!Iзатора, ускоряю­

щего нсс.lеДОВaIl~IЯ прнродных локаторов Iшуса н за­

паха, пото~!у что уже сейчас можно предвидеть ннте­

реснейшие об.lастн при~[енеIlИЯ ЭТ!IХ открытий на

праКТIIке ';'.

* J'же существуют [.lOде.l!!, раз.l!!чаЮ1Ц!!е запах!! (с\!, НЗ­ прш!ср, Р. М. "'1аЗlIтава, В. Н. Охотская, Б. И. ПУЧКII!! "ОБОIlП­ вне 11 его ~,lOде.1IIроваll!!е», !IЗд-во СО АН СССР, НОВОСllбl!РСК,

1966).

г ЛА ВА 6

ФОРМА И ЦВЕТ

МОЖЕТ ЛИ МАШИНА ВИДЕТЬ

Гл.аз - важнейший из органов чувств человека. Именно зрение доставляет нам большую часть ин­ формации о внешнем мире. Вполне естественно, что

обмен информацией между людьми опирается на зри­ тельно воспринимаемые объекты. Чаще всего это га­ зеты или книги, а также произведения живописи и фо­ тоснимки; даже появление телефона не прекратило

обмена письмами. Зрительная ИIlформация игр.ает

важную роль во всех областях человеческой деятель­

ности. Можно ли вообразить себе промышленность без планов и чертежей или деловые предприятия без письменных приказов и подписанных договоров? Все

эксперименты, проводимые в лабораториях, фикси­ руются в таблицах и графиках.

Если мы хотим подвергнуть письменную информа­

цию машинной обработке,	н.адо сначала перевести ее
в форму, приемлемую для	машины. Известно, что ма­

шины Х9РОШО обрабатывают перфокарты. Поэтому

все цифровые данные таблиц и счетов, балансы, ука­

зания и другие письменные материалы переносятся

на особые карточки, а з.атем специалисты при помощи

машинок пробивают перфорации на картах. Отдель­

ные перфорации представляют собой ту· же информа­ цию, которая поступила в форме цифр или букв,

тоЛько теперь она перекодирована и подготовлена

к обработке на электронной вычислительной машине. Но не всегда легко перевести всю письменную ин­

формацию на перфокарты. И вот простой пример. Предположим, в окошечко банка подан чек. Совпа­

дает ли подпись на чеке с подписью вкладчика? Опе­

рацию сравнения можно ускорить с помощью простой

механизации: автомат отыскив.ает нужную подпись

в картотеке и передает ее изображение на экран теле­

визора на столе служащего. Но главная задача­

сравнение двух подписей - лежит на ответственности

человека. Дело в том, что даже самая характерная

102

4

Q

з

6

Рис. 28. Оптический анализатор, основанный на устареВШI!Х

\представлениях о роли сетчатки.

а -	оптический анализатор: 1- линза,		2 - рассматриваемая поверхность,
3 -	мозаика	светочувствительных клеток,		4 - счетно-решающее устройсгво;
б -	глаз' и	мозг: 1- линза-хрусталик,	2 -	сетчатка, 3 - оптический нерв,

4 - зрителыlйй центр в затылочной области коры больших полушарий.

подпись, которую трудно подделать, варьирует от слу­

чая к случаю, и это осложняет полную автоматизацию

процесса. Однако, если речь идет об, одной определен­

ной операции - сличении двух подписей, - этого еще

можно добиться. Нужно только создать хитроумное

приспособление, которое могло бы прямо прочесть

подпись и перекодировать ее, минуя классическую

стадию перфокарт. С неуклонным ростом механизи­ рованной обработки информации возникает все более настоятельная потребность в машинах, которые могли

бы непосредственно воспринимать зрительную инфор­

мацию. А почему бы не использовать на входе машины

оптический анализатор, копирующий функции челове­

ческого глаза? Какое широкое поприще открывается

перед биоником!

103

Физиолог ср.азу укажет инженеру на огромные

трудности, которые его ожидают. Невозможно пере­ считать все светочувствительные элементы, образую­

щие сетчатку человеческого глаза. Но если подсчи­

тать клетки на отдельном участке сетчатки, а затем

УJIIНОЖИТЬ это число на количество таких участков, то

IIX окажется несколько сот миллионов. Трудно по­

строить машину, которая состояла бы нз т.акого же числа мелких светочувствительных элементов. Но так или иначе, эту трудность еще ~lOжно преодолеть. Схе­

матически такая машина показана на рис. 28, а. Опти­

ческое приспособление передает изображение рас­

сматриваемого объекта на плоскость 2. Эта поверх­ ность разбита на ряд более мелких участков. Сеть (3)

светочувствительны~ клеток анализирует часть uелого

изображения. Чтобы не усложнять изображение, по­

казаны только некоторые клетки этой светочувстви­ тельной сети, но их может быть гораздо больше.

Инфорыация, поступающая от отдельных ячеек, пере­

дается в память машины и хранится для последующей

обр.аботки. Вся поверхность объекта исследуется пу­ теы перемещения сети и последовательного фиксиро­

вания каждой ячейки. Электронные машины работают

с огромной скоростыо (миллионные доли секунды), и необходимость раССJ\lатривать большое количество

мелких ячеек компенсируется скоростыо считывания.

Основная идея этого устройства в TOM~ что глаз (рис. 28, 6) сравнивают с фотокамерой. Образ, пере­ данный на сетч.атку (2) через хрусталик (1), воспро­

I!ЗВОДИТСЯ затем в анализирующей системе мозга (4).

Такое устройство можно создать, и оно, по-видимому,

будет действовать. Но имеет ли все это отношение к бионике? Едва ли.

КАК РАБОТАЕТ ГЛАЗ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ

В наше время стало ясно, что глаз нельзя уподоб­

лять фотокамере. Сетчатка - не просто постоянно ра­

ботающая светочувствительн.ая поверхность. Это слож­ ный орган, производящий операции отбора и анализа

зрительных сигналов. В чем Сl\!ЫСЛ предварительной

обработки первоначальной информаIlI!И? Сравним для

начала две цифры: в сетчатке сто МИЛЛIIOIЮП свето-

104

чувствительных клеток, а зрительный нерв содержит

13сего лишь миллион нервных волокон, то есть в сто

раз меньше. Значит, между светочувствительными

I(летками и нейронаl\1И *, аксоны кото.рых образуют

зрительный нерв, существует не просто линейная

связь, как в искусственной сети на рис. 28, а. Если

учесть, что информация, полученная из внешнего l\шра, передается без потерь, тю\Ое уменьшение числа волокон на выходе l\IOГЛО произойти только В резуль­

тате определенного числа операций. Какова же при­

рода и назначение этих операций?

Слишком трудно объяснить эти явления, изучая

глаз человека. И не только из-за огромного числа кле-

10К, но и потому, что сам глаз обладает странными особенностями. Во-первых, поле зрения глаза далеко не однородно. Мы ИНСТИНlПивно обращаем взгляд на рредмет, который хотим рассмотреть, и при этом при­

ходится поворачивать не только глаза, но даже и го­

лову. За пределами поля четкого видения (его охват­ всего несколько градусов) острота зрения постепенно

падает. Прнчина этого заключается в иннервации све­

точувствительных I{леток: из l\Iиллиона волокон зри­

тельного нерва большая ч.асть связана с несколькими

миллионами клеток, которые выстилают участок глаз­

IIOrO дна как раз в том месте, куда попадает изобра­

жение предметов, находящихся прямо перед нами.

По мере удаления от центра к периферии сетчатки IIннервация становится беднее. Во-вторых, человече­

Сi<ИЙ глаз никогда не находится в покое -- всегда 01-

мечаются мелкие беспорядочные колебания глазного яблока в довольно быстром ритме (несколько коле­

баний в секунду). Сам ч'еловек обнаружить эт!! коле­

бания, глядя в зеркало, не может, потому что их ам·

плитуда очень мала. Для того чтобы их заметить,

нужна специальная аппаратура. Но это ничтожное I\ОJJебательное дrmжение - необходимое условие нор­

мального зрения. Если при ПО:\IОШИ специального опти­

чес\<ого приспособления, похожего на контактную линзу, фиксировать на сетчатке изображение простого

объекта так, чтобы оно было неПОДI3ИЖ!lЫМ по отно­ шению к сетчатке, МОЖIIО наблюдать любопытное

* Ганглиозные клетки сетчатки.

105

явление: изображение распадается на отдельные ку­

сочки, .а затем исчезает.

Ипоследняя, но самая серьезная трудность­

проводить эксперимt:нты на человеке совершенно не­

допустимо. Нельзя вводить микроэлектроды в зри­

тельный нерв живого человека. Нужно найти ему

замену, например животное, глаз которого был бы

проще устроен, чем глаз человека. К счастью, таких

животных немало. Особенно удачной естественной мо­

делью оказался глаз примитивного ракообр.азного ли­

мулуса (Limulus). Это существо практически не эво­

люционировало и Jосталось неизменным с глубокой

древности. Глаз его похож на сложные глаза насеко­

мых, но в нем примерно тысяча светочувствительных

клеток, то есть в сто тысяч раз меньше, чем в глазу

человека. Схема строения глаз.а лимулуса ПОI<азана на рис. 29. Каждая чувствительная клетка имеет соб­ ственную линзу (2), которая фокусирует падающий на нее свет (1). К этим светочувствительным клеткам

подходят нервные окончания (3), где происходит пре­ образование полученной световой энергии в химиче­

скую энергию деполяризации, генерирующую нерв­

ные импульсы. Импульсы передаются по аксона м (4)

вмозг для окончательной обработки. Чтобы иссле­

довать функции глаза, в зрительный нерв лиму­

луса вводили микроэлектроды. Как мы уже знаем,

эта операция настолько тонкая, что она 'позволяет

наблюдать при помощи электродов А и В отдельные

импульсы, идущие от двух соседних простых глазков.

Что же происходит при избирательном освещении отдельных r:лазков (рис. 30)? Если осветить пучком света (1) глазок, связанный с нервным волокном А,

нервные импульсы возникают только в этом волокне;

соседний глазок В, не получивший раздражения, не посылает никаких сигналов. Обратный эффект наблю­ дается в том случае, если освещен пучком света (2) глазок В. При одновременном освещении глазков А и В серии нервных импульсов регистрируются и в во­ локне А и в волокне В, но частота каждой серии мень­

ше той, которая получена при раздельном освещении

каждого глазка. Подобный эффект уже знаком нам по

явлению аккомодации, автоматического приспособле­

ния чувствительных K,ТIeToK к средней величине стиму-

106

1 -	пздающий свет; 2 - линзы; 3 - дендриты светочувствитеЛЬНbJХ клеток;
4 -	аксоны зритеJIЬНЫХ	клеток; 5 - сеть коллатеральных взаимосвязей (кол­
	А, Б -	латерали - ветвления аксонов).
		микроэлектроды. введенные в аксоны.

ла - раздражителя. В данном случае происходит ана­ логичное явление, только приспособление на этот раз

определяется смежными клетками: количество света,

полученное одной клеткой, меняет порог чувствитель­ ности соседних клеток. В случае аккомодации это при­

способление заключается в замыкании клетки на

саму себя через петлю обратной связи. Здесь принцип торможения в основном тот же, только петли обратной связи сqобщаются и замыкают клетки друг на друга, как это видно на рис. 31. В действительности это про­

исходит через сеть мелких волокон (5), конечные си­

напсы которых оказывают влияние на уровень поля­

ризации тел нейронов (рис. 29). Такое торможение

называют латеральным.

- В чем смысл латерального торможения? Как по­ казано на рис. 32, оно усиливает контрасты. Если пе­ ред искусственным детектором - фотоэлементом (2)

и глазом лимулуса (3) двигать одну и ту же фигуру

107

A~!IL-L-I

Б-----

А----

Б " 111

А	I	I	I
Б	I	I	I
		6

Р J! С. 30. ЯвлеНIIЯ латерального торможения в глазу лныулуса.

а - нзбllрате~lЫIOе освещенне глаза НСТОЧНИКО:-'I света D точках 1 и 2: б - со·

ответствующие нервные спгналы.

(1) с четкими границами, оказывается, что фотоэф­

фект точно пропорционален стимулу, а глаз моллюска дает сигнал в несколько раз более сильный. Это еще

раз подтверждает жизненно важную роль чувствен­

ной информации; абсолютно равномерно освещенная

поверхность не содержит никакой информации, реак­ цию вызывают только изменения во внешней среде. Подчеркивая контрасты, латеральное торможение по­

зволяет лучше ВОС'ПРИН!Iмать эти изменения и обога­

щает видимый мир лимулуса.

Сходные проблемы приходится решать при созда­

нии машин для автоматического чтения. Информация

заключается только в контрастах и вариациях - чер­

ное и белое в написанном ИЛII печатном тексте, оттен-

108

: Сигнал на Входе

I

I

I

I

I

I

..I

I

Рис. 31. Латера,1ьное торможение - результат взаимодеiicтвия

ОIСЖНЫХ чувств.итеJIЬНЫХ клеток через соединеШ/i! А

(см. рис. 29,5).

•

2

а

Р I! с. 32. Латеральное торможение подчеркивает контрасты.

а - рецепторы; б - СIIГП:I.1Ы на выходе рецепторов.

1 - раздражитель (освещенная Н.lастинка. двигающаяся на черно'! фоне

в наllравлеНIIИ. указаllНОМ сгрелкоii). 2 - фотоэлемент, IJ - глаз ЛЮfУЛj·са•